影響攀枝花仁和臺YRY-4鉆孔應(yīng)變儀觀測精度原因及改進(jìn)方法

付再云，張世鳳,伍永秀,徐靜,周定林,羅玉來

(攀枝花地震基準(zhǔn)臺,四川 攀枝花 617061)

影響攀枝花仁和臺YRY-4鉆孔應(yīng)變儀觀測精度原因及改進(jìn)方法

付再云，張世鳳,伍永秀,徐靜,周定林,羅玉來

(攀枝花地震基準(zhǔn)臺,四川 攀枝花 617061)

調(diào)整YRY-4鉆孔應(yīng)變儀傳感器的電零點(diǎn)，可以改變其機(jī)械零點(diǎn)，使儀器在無干擾區(qū)間內(nèi)工作，消除觀測數(shù)據(jù)中存在的干擾并記錄到正常的應(yīng)變曲線。

傳感器；脈沖干擾；故障排除；電零點(diǎn)；機(jī)械零點(diǎn)

攀枝花仁和臺站在區(qū)域構(gòu)造上處于川滇南北向構(gòu)造帶中南段。區(qū)域構(gòu)造上以南北向構(gòu)造為主，以安寧河斷裂、昔格達(dá)斷裂帶為代表，安寧河斷裂帶是川滇南北向構(gòu)造帶的主體，是一條具有繼承性活動(dòng)特征的多期活動(dòng)性斷裂，在西昌-德昌以南地帶屬于弱活動(dòng)帶；昔格達(dá)斷裂第四系變形強(qiáng)烈，是一條中強(qiáng)活動(dòng)性斷裂，距臺站較遠(yuǎn)，臺站處于受區(qū)域地質(zhì)影響相對較弱的區(qū)域。臺站周圍 1 000 m內(nèi)未發(fā)現(xiàn)滑坡、泥石流等不良地質(zhì)作用跡象，無不良地質(zhì)作用的影響。水文地質(zhì)條件主要為第四系松散層孔隙水，地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，沿坡面徑流向溝谷中排泄，無大型的含水結(jié)構(gòu)體。臺站周圍 1 000 m以內(nèi)無大型的工廠、礦山和高壓電線傳輸，遠(yuǎn)離高速公路等干擾源。鉆孔從地面10 m以下巖性是花崗巖和石英閃長巖，風(fēng)化程度較弱，巖基完整無破碎、裂隙，未遇到斷層，也未遇到裂隙地下水。攀枝花仁和安裝的儀器是“十五”建設(shè)項(xiàng)目YRY-4數(shù)字化鉆孔應(yīng)變觀測儀器。這臺儀器安裝在仁和街北東的油房溝和雙龍溝之間的山埡處。

1 儀器故障

自2007年4月5日投入運(yùn)行以來，YRY-4數(shù)字化鉆孔應(yīng)變觀測儀器4個(gè)分量工作都正常，能夠記錄到的固體潮汐波、地震波，波形清晰和完整，但從2007年9月17日開始，該儀器的第3通道觀測數(shù)據(jù)曲線出現(xiàn)“脈沖”干擾現(xiàn)象。這些“脈沖”是單邊向上，并且由小到大逐步變成等輻的脈沖或臺階(參見圖1)，其幅度是記錄到的固體潮汐日變幅的5～6倍，完全將潮汐波和地震波信號淹沒，嚴(yán)重影響了正常觀測記錄。從前面介紹的鉆孔周圍環(huán)景情況來看，這些“脈沖”與外部環(huán)境無關(guān)。從記錄到的“脈沖”現(xiàn)象來看也不符合四分量應(yīng)變“鉆孔加襯模型”的理論。簡言之，與地殼形變、地震波信號疊加無關(guān)，判斷這些脈沖信號應(yīng)屬儀器自身產(chǎn)生的。在4個(gè)分量中只有其中的1個(gè)分量有干擾，在計(jì)算內(nèi)精度時(shí)每個(gè)分量都要參加計(jì)算，就是說一個(gè)分量的精度差，會影響到整個(gè)儀器系統(tǒng)的精度。所以，從2007年以來該儀器在全國形變學(xué)科鉆孔應(yīng)變臺網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量評價(jià)報(bào)告中觀測質(zhì)量都處在靠后幾名的位置。因該儀器探頭深埋于地下60余米處的井孔內(nèi)，要取出儀器探頭解決這個(gè)問題是有相當(dāng)難度的，于是解決這個(gè)問題成了地震臺站工作人員遇到的一個(gè)難題。

圖1 YRY-4鉆孔應(yīng)變儀第3通道觀測數(shù)據(jù)的“脈沖”干擾

2 故障分析與排除

2.1 儀器工作原理與結(jié)構(gòu)

圖2 鉆孔應(yīng)變儀的布置方式

攀枝花仁和地震臺YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀為長圓筒徑向位移式儀器。在圓筒中部位置安裝了“南-北”“東北-西南”“東-西”“西北-東南”四個(gè)方向的四組徑向測微傳感器，測量這四個(gè)方向圓筒直徑的微小變化(參見圖2)。將圓筒探頭放入地層鉆孔，并用耦合介質(zhì)將探頭與地層連為一體后，通過儀器測量系統(tǒng)就能獲得地層鉆孔四個(gè)方向的鉆孔孔壁徑向位移。YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀則將四個(gè)徑向位移傳感器按照米字型4等分布置，相鄰兩傳感器方向相差45度。從四個(gè)傳感器的測值除了可確定平面中的三個(gè)應(yīng)變量外，還能提供一組校核條件，用以檢查測值的可靠性。

圖3 電容徑向測微裝置原理結(jié)構(gòu)示意

攀枝花仁和地震臺YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀徑向電容測微傳感器中，由長度基準(zhǔn)桿支撐的電容極片分為動(dòng)片與定片組，分別固定在直徑相對方向的筒壁上，鉆孔孔徑的變化使極片的間隙變化，引起電容量改變。測量電路將電容量的變化轉(zhuǎn)換成電壓值并通過電纜傳送到地面記錄儀器。為了減小連接傳感電容與測量線路間的導(dǎo)線分布電容帶來的誤差，YRY-4型探頭的測量線路采用微型集成組件，與傳感電容一起共同組成一個(gè)整體。并用彈性波紋管連接密封，使得儀器既能將測量電路固定，又不影響彈性應(yīng)力環(huán)變形。在形成的密封空腔中則充以硅油，以保護(hù)傳感電容。YRY-4型壓容式鉆孔應(yīng)變儀的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到90 dB，由于儀器長期工作后，應(yīng)變儀的動(dòng)態(tài)范圍仍可能超出量程。YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀的4個(gè)徑向測微傳感器上都有可調(diào)整基準(zhǔn)桿長度的機(jī)械調(diào)零裝置，可以調(diào)整儀器工作零點(diǎn)(參見圖3)。安裝成功并正常工作的YRY-4型壓容式鉆孔應(yīng)變儀的調(diào)零操作是由地面儀器的數(shù)采部分與控制機(jī)箱程序運(yùn)行完成的。工作人員只需輸入調(diào)零指令，儀器就通過控制機(jī)箱程序運(yùn)行自動(dòng)完成調(diào)零操作。每個(gè)傳感器設(shè)有獨(dú)立的調(diào)節(jié)電容間隙的機(jī)械裝置，可供隨時(shí)調(diào)節(jié)電容測微傳感器橋路的工作點(diǎn)。這樣YRY-4型壓容式鉆孔應(yīng)變儀調(diào)零就實(shí)現(xiàn)了遙控操作。

2.2 故障現(xiàn)象

對于鉆孔應(yīng)變儀器來說，最不愿意看到的就是深埋在井下幾十米的探頭出故障，如果是這樣的話，幾乎可以判定這臺儀器就無法修復(fù)了，僅是一個(gè)分量有故障，倘若淘井重新安裝新的探頭，成本太高。因此在查找故障的部位時(shí)，主要精力都放在檢查儀器的地面部分上，比如檢查電源、接線插頭、插座、各個(gè)元件的接觸情況，用示波器查看各信道的噪聲，監(jiān)測電源的波動(dòng)情況，設(shè)法降溫，甚至將原來配置的機(jī)械隔離電源更換成雙電瓶切換并且加裝DC—DC片的電源，但這些都沒能解決問題。向儀器生產(chǎn)廠家武漢地震研究所形變儀器專家請教后，認(rèn)為是井下探頭的故障。但故障是屬電子線路的“白噪聲”還是其他原因仍無法判斷。我們通過長時(shí)間觀察發(fā)現(xiàn)了這樣一些現(xiàn)象：(1)這些臺階似乎被什么東西阻擋而限幅(參見圖4)；(2)有時(shí)連續(xù)幾天甚至數(shù)月曲線光滑無脈沖和臺階(參見圖5)；(3)有時(shí)記錄到一個(gè)比較大的地震以后又沒有了脈沖和臺階(參見圖6)。

圖4 限幅的脈沖

圖5 時(shí)有時(shí)無的脈沖

2.3 故障原因分析與排除方法

分析上述現(xiàn)象后我們認(rèn)為，儀器探頭傳感器存在機(jī)械故障，可能的原因有電容傳感器的動(dòng)片或定片上有異物，或是連接動(dòng)片的傳動(dòng)桿有擦掛。儀器專家池順良老師認(rèn)為探頭中電容極片間插入有絕緣薄膜，極片上有異物，其直徑也在微米量級，不會造成極片間短路而產(chǎn)生電噪聲，確認(rèn)引起儀器故障的原因是連接動(dòng)片的傳動(dòng)桿有擦掛。根據(jù)現(xiàn)象2(參見圖5)和現(xiàn)象3(參見圖6)，我們從電容徑向測微裝置原理結(jié)構(gòu)示意圖中看出，無論是自動(dòng)標(biāo)定，還是自動(dòng)調(diào)零，都是以如下的方式：指令→計(jì)算機(jī)→通信口→自動(dòng)調(diào)零或自動(dòng)標(biāo)定電路→標(biāo)定裝置→機(jī)械調(diào)零裝置，這樣來完成這個(gè)工作目的的。因此，可以通過改變其工作點(diǎn)的方法，使電容器動(dòng)片避開擦掛或碰觸的工作區(qū)，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)曲線光滑無脈沖的目的。也就是說，用調(diào)節(jié)探頭傳感器的電零點(diǎn)來改變它的機(jī)械零點(diǎn)是可以解決這個(gè)問題的(參見圖7)。在2010年12月6日，我們對儀器3號元件做了反復(fù)調(diào)零，調(diào)后該元件觀測數(shù)據(jù)記錄曲線的情況大為改善，“脈沖”基本消除，即使存在單個(gè)的“脈沖”其幅度也大為減小(參見圖8)。由此說明，故障確實(shí)是由連接動(dòng)片的傳動(dòng)桿擦掛引起，而且以上這一排除故障的方法是行之有效的。

圖6 大地震后脈沖消失

圖7 電容器片上的異物及改變機(jī)械零點(diǎn)的簡單示意圖

圖8 調(diào)節(jié)儀器傳感器電零點(diǎn)后的觀測數(shù)據(jù)記錄曲線

3 討論

調(diào)節(jié)儀器探頭傳感器電零點(diǎn)后，觀測數(shù)據(jù)記錄曲線的“脈沖”基本消除了，雖然偶爾會有一個(gè)，尤其是在電零點(diǎn)偏向負(fù)一點(diǎn)的時(shí)候，出現(xiàn)脈沖的方向與調(diào)零以前的方向相反了，這說明電容器動(dòng)片兩側(cè)都可能有異物，這些異物我們猜測可能是附著在其上的水珠、 油珠。這就需要對機(jī)械零點(diǎn)的細(xì)微調(diào)節(jié)， 但“十五”建設(shè)項(xiàng)目前期的地面儀器機(jī)盒只有在數(shù)采電壓達(dá)到正負(fù)300毫伏以上時(shí)才可調(diào)動(dòng)，并且只能自動(dòng)“調(diào)零”，而“十五”后期的機(jī)盒可任意調(diào)整電壓至想要的數(shù)值。因此無法進(jìn)一步進(jìn)行微調(diào)其機(jī)械零點(diǎn)工作，使記錄效果得以進(jìn)一步改善。當(dāng)然，采取上述措施是讓儀器在正常工作范圍內(nèi)運(yùn)行，并不能徹底修復(fù)儀器。但不用更換探頭就能排除干擾，使其觀測質(zhì)量大大地提高，內(nèi)精度提高了一個(gè)量級。之后在全國形變學(xué)科鉆孔應(yīng)變臺網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量評價(jià)報(bào)告中,儀器觀測資料質(zhì)量由倒數(shù)幾位排在了靠前面幾名的位置，其經(jīng)濟(jì)效益也在十萬元以上。

感謝：河南省鶴壁市地震局池順良老師在本項(xiàng)工作中給予的指導(dǎo)和幫助。

[1] 邱澤華，石耀霖，歐陽祖熙.四分量鉆孔應(yīng)變觀測的實(shí)地相對標(biāo)定[J].大地測量與地球動(dòng)力學(xué)，2005，2：118-122.

[2] 池順良 YRY-4型鉆孔應(yīng)變儀原理安裝與使用.

ImprovingtheObservationDataPrecisionofYRY-4BoreholeStrain-meterinPanzhihuaSeismicStation

FU Zaiyun,ZHANG Shifeng， WU Yongxiu，XU Jing，ZHOU Dinlin, LUO Yulai

(Panzhihua Seismic Standard Station, Sichuan Panzhihua 617061, China)

Adjusting the electrical zero position of an instrument sensor causes the sensitivity of the mechanical zero position to change. So it causes the instrument to work in the non-disturbance condition and to work in the normal strain condition.

sensor; pulse interference; troubleshooting; electrical zero position; mechanical zero position

2017-07-20

付再云(1975-)，男，漢族，四川省會理縣人，工程師，現(xiàn)從事地震監(jiān)測工作.

P315.730

B

1001-8115(2017)04-0012-03

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.04.003